CN117328810A - 一种多级脉冲振荡螺杆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多级脉冲振荡螺杆，由旁通阀总成、第一脉冲总成、马达总成、万向轴总成、第二脉冲总成、传动总成组成；旁通阀总成用于控制钻井液流向；第一脉冲总成通过周期性改变动阀与静阀之间的过流面积，产生周期性振荡作用，推动冲锤压缩第二弹簧产生轴向冲击；马达总成用于将钻井液压力能转换为马达转子旋转的机械能；万向轴总成用于将马达转子的偏心转动转换为定轴转动；第二脉冲总成通过周期性改变水帽与第二脉冲外壳之间的过流面积产生周期性振荡作用；传动总成用于将旋转机械能传递至钻头；本发明解决现有技术中存在的近钻头摩阻大，钻头吃入深度浅等问题，通过多级脉冲作用，有效减小近钻头摩阻，增加钻头吃入深度，提高钻进效率。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井技术领域，尤其设计一种多级脉冲振荡螺杆。
背景技术
随着油气开采技术的发展，浅层油气资源已经不能够满足人们的需求，油气开采向着深井、超深井、水平井和大位移井等复杂井方向发展，伴随着油气井复杂程度的增加，井下钻柱的“托压”、钻头吃入深度不足等问题越来越严重，严重影响了钻井周期。单一的螺杆钻具能够给钻头提供需要的扭矩，但无法解决钻柱摩阻大和钻头吃入深度不足的问题；水利振荡器的运用较好的解决了钻柱摩阻大的问题，但由于水利振荡器受安装位置的限制，也不能很好的解决近钻头摩阻大和钻头吃入的问题，提出一种能够减小近钻头摩阻大，增加钻头吃入深度的工具具有十分重要的意义。
针对以上问题，提出一种多级脉冲振荡螺杆，该工具将一部分马达总成产生的旋转机械能转化为多级水利脉冲和轴向冲击，有效降低钻柱“托压”问题以及近钻头摩阻大和钻头吃入深度不足的问题，大幅度提高钻井机械效率，缩短钻井周期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多级脉冲振荡螺杆，解决现有钻井技术中存在的近钻头摩阻大，钻头吃入深度不足，钻进效率低等问题，该工具在多级脉冲共同作用下，有效降低近钻头的摩擦阻力，增加钻头吃入深度，提高钻进效率。
为实现以上目标，本发明采用的技术方案：
一种多级脉冲振荡螺杆，主要由旁通阀总成、第一脉冲总成、马达总成、万向轴总成、第二脉冲总成和传动总成组成；所述旁通阀总成用于控制钻井液流向；所述第一脉冲总成置于所述马达总成上方，用于将马达总成的旋转机械能转换为第一脉冲总成的脉冲作用和轴向冲击；所述马达总成用于将钻井液的液体压力能转换为马达转子旋转的机械能；所述万向轴总成用于将马达转子的偏心旋转转换为绕轴心的定轴旋转；所述第二脉冲总成置于万向轴总成下方，用于将马达总成产生的旋转机械能转换为第二脉冲总成的脉冲作用；所述传动总成用于将马达总成产生的旋转机械能传递至钻头。
所述旁通阀总成设有旁通外壳、阀芯、第一弹簧和阀座；所述旁通外壳设有第一中心流道、旁通侧孔；所述阀芯设有阀芯中心孔和阀芯侧孔；所述阀座设有阀座中心孔；所述第一中心流道、阀芯中心孔和阀座中心孔常通；所述第一弹簧抵靠于阀芯和阀座之间；所述阀芯和阀座与旁通外壳之间设有密封装置。
所述第一脉冲总成设有第一脉冲上壳体、冲锤、第二弹簧、第一脉冲下壳体、静阀、动阀、动阀座、防掉杆和第一挡环；所述第一脉冲上壳体上方与旁通外壳下方螺纹连接；所述第一脉冲下壳体上方与第一脉冲上壳体下方螺纹连接；所述第一脉冲上壳体设有第二中心流道和第一抵台；所述冲锤设有第一轴向流道、第二轴向流道和第二抵台；所述第一轴向流道与第二中心流道周期性连通；所述第二轴向流道与第二中心流道常通；所述第一轴向流道的数量为3～6个；所述第二弹簧一端抵靠于第一脉冲上壳体下方，一端抵靠于第二抵台上方；所述冲锤可沿第一脉冲上壳体轴向滑动，滑动行程为20～50㎜；值得说明的是，所述冲锤与第一脉冲上壳体和第一脉冲下壳体之间设有密封装置；所述第一脉冲下壳体设有第三抵台、静阀槽和第四抵台；所述静阀安装于所述静阀槽内；所述静阀槽的形状为正方形、六边形和八边形；所述动阀座设有动阀槽和第一径向流道；所述动阀安装于动阀槽内；所述动阀槽的形状为正方形、六边形和八边形；所述第一径向流道的数量为3～6个；所述防掉杆设有第一轴肩；所述动阀座下方抵靠于第一轴肩上并通过螺纹连接于防掉杆上方；所述第一挡环设有第三轴向流道；所述第三轴向流道的数量为3～6个；所述第一挡环抵靠于第四抵台上；所述冲锤与静阀之间形成第一腔体；特别地：初始状态时，冲锤在第二弹簧的作用下抵靠于第三抵台上；当钻进液进入时，所述动阀、动阀座和防掉杆随马达转子一起转动，当动阀旋转至于静阀过流面积最小时，第一腔体内产生水锤作用，同时，在局部高压的作用下推动冲锤向上压缩第二弹簧，当冲锤向上运动至于第二抵台接触时，第一轴向流道与第二中心流道不连通，轴向流道面积减小，产生二次水锤作用；动阀继续转动至与静阀过流面积最大时，第一腔体内处于低压状态，冲锤在第二弹簧和钻井液压力能的共同作用下，加速向下冲击第一脉冲下壳体产生轴向冲击。
所述动阀和静阀中间开设有轴向通孔，所述轴向通孔的大小、数量和位置可根据不同工况需求设置不同组合，以到达不同的脉冲效果。
所述马达总成设有马达外壳、马达定子和马达转子；所述马达外壳上方与第一脉冲下壳体下方螺纹连接；所述马达转子上方与防掉杆下方螺纹连接；当钻井液进入时，在钻井液压差作用下推动马达转子旋转。
所述万向轴总成设有万向轴外壳和球式万向轴总成；所述万向轴外壳上方与马达外壳下方螺纹连接；所述球式万向轴总成上方与马达转子下方螺纹连接；将马达转子的偏心转动转换为绕轴心的定轴转动。
所述第二脉冲总成设有第二脉冲外壳和水帽；所述第二脉冲外壳设有第一径向凹槽；所述水帽设有第二径向流道、第三径向流道和水帽中心孔；所述第二径向流道和第三径向流道与水帽中心孔常通；所述第二径向流道与第一径向凹槽常通；所述第三径向流道与第一径向凹槽间歇连通；所述第一径向凹槽的数量为2～4个；所述第二径向流道的数量为3～6个；所述第三径向流道的数量与第一径向凹槽的数量一致；所述第三径向流道的过流面积是第二径向流道的2～5倍；特别地：当水帽转至第三径向流道与第一径向凹槽连通时，大部分钻井液从第三径向流道进入水帽中心孔，小部分钻井液从第二径向流道进入水帽中心孔；当水帽继续旋转至第三径向流道与第一径向凹槽不连通时，大部分钻井液不能从第三径向流道进入水帽中心孔，小部分钻井液继续从第二径向流道进入水帽中心孔，在第一径向凹槽处产生水锤作用。
所述传动总成设有上扶正轴承组、推力球轴承组、传动上壳体；第二挡环、传动下壳体、下扶正轴承组和传动轴；所述上扶正轴承组和下扶正轴承组用于保证传动轴绕轴心旋转；所述推力球轴承组用于承受轴向力；所述第二挡环支撑于推力球轴承组与下扶正轴承组的内圈之间，且随推力球轴承组和下扶正轴承组的内圈一起旋转；所述传动上壳体上部与第二脉冲外壳下部螺纹连接；所述传动下壳体上部与传动上壳体下部螺纹连接；所述传动轴上部与水帽下部螺纹连接；所述传动轴下部接钻头。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的冲锤位于上止点的结构示意图；
图3为本发明装置的冲锤位于下止点的结构示意图；
图4为本发明装置的第二径向流道与第一径向凹槽连通的结构示意图；
图5为本发明装置的第二径向流道与第一径向凹槽不连通的结构示意图。
图中：1、旁通阀总成；11、旁通外壳；12、阀芯；13、第一弹簧；14、阀座；111、第一中心流道；112、阀芯中心孔；113、阀芯侧孔；114、旁通侧孔；115、阀座中心孔；2、第一脉冲总成；21、第一脉冲上壳体；22、冲锤；23、第二弹簧；24、第一脉冲下壳体；25、静阀；26、动阀；27、动阀座；28、防掉杆；29、第一挡环；201、第二中心流道；202、第一抵台；203、第一轴向流道；204、第二轴向流道；205、第二抵台；206、第三抵台；207、静阀槽；208、动阀槽；209、第一径向流道；210、第一轴肩；212、第四抵台；3、马达总成；31、马达外壳；32、马达定子；33、马达转子；4、万向轴总成；41、万向轴外壳；42、球式万向轴总成；5、第二脉冲总成；51、第二脉冲外壳；52、水帽；501第二径向流道；502、第三径向流道；503、水帽中心孔；6、传动总成；61、上扶正轴承组；62、推力球轴承组；63、上传动外壳；64、第二挡环；65、下传动外壳；66、下扶正轴承组；67、传动轴；601、第三中心流道；7、第一腔体。
具体的实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“端面”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种多级脉冲振荡螺杆，主要由旁通阀总成 1、第一脉冲总成 2、马达总成 3、万向轴总成4、第二脉冲总成5和传动总成6组成；所述旁通阀总成1用于控制钻井液流向；所述第一脉冲总成2置于所述马达总成3上方，用于将马达总成3的旋转机械能转换为第一脉冲总成2的脉冲作用和轴向冲击；所述马达总成3用于将钻井液的液体压力能转换为马达转子33旋转的机械能；所述万向轴总成4用于将马达转子33的偏心旋转转换为绕轴心的定轴旋转；所述第二脉冲总成5成置于万向轴总成4下方，用于将马达总成3产生的旋转机械能转换为第二脉冲总成5的脉冲作用；所述传动总成6用于将马达总成3产生的机械能传递至钻头。
作为较优的实施方案：所述旁通阀总成1设有旁通外壳 11、阀芯 12、第一弹簧13和阀座14；所述旁通外壳11设有第一中心流道111、旁通侧孔114；所述阀芯12设有阀芯中心孔112和阀芯侧孔113；所述阀座14设有阀座中心孔115；所述第一中心流道111、阀芯中心孔112和阀座中心孔115常通；所述第一弹簧13抵靠于阀芯12和阀座14之间；所述阀芯12和阀座14与旁通外壳11之间设有密封装置；当工具处于起下钻状态时，旁通阀总成1处于开启状态，钻井液可从旁通侧孔114静入环控；当工具处于工作状态时，旁通阀总成1处于关闭状态，钻井液从第一中心流道111、阀芯中心孔112和阀座中心孔115静入第二中心流道201。
作为较优的实施方案：所述第一脉冲总成2设有第一脉冲上壳体 21、冲锤 22、第二弹簧23、第一脉冲下壳体 24、静阀 25、动阀 26、动阀座 27、防掉杆28和第一挡环29；所述第一脉冲上壳体21上方与旁通外壳11下方螺纹连接；所述第一脉冲下壳体24上方与第一脉冲上壳体21下方螺纹连接；所述第一脉冲上壳体21设有第二中心流道201和第一抵台202；所述冲锤22设有第一轴向流道203、第二轴向流道204和第二抵台205；所述第一轴向流道203与第二中心流道201周期性互通；所述第二轴向流道204与第二中心流道201常通；所述第一轴向流道203的数量为3～6个；所述第二弹簧23一端抵靠于第一脉冲上壳体21下方，一端抵靠于第二抵台205上方；所述冲锤22可沿第一脉冲上壳体21轴向滑动，滑动行程为20～50㎜；所述第一脉冲下壳体24设有第三抵台206、静阀槽207和第四抵台212；所述静阀25安装于所述静阀槽207内；所述静阀槽207的形状为正方形、六边形和八边形；所述动阀座27设有动阀槽208和第一径向流道209；所述动阀26安装于动阀槽208内；所述动阀槽208的形状为正方形、六边形和八边形；所述第一径向流道209的数量为3～6个；所述防掉杆28设有第一轴肩210；所述动阀座27下方抵靠于第一轴肩210上并通过螺纹连接于防掉杆28上方；所述第一挡环29设有第三轴向流道211；所述第三轴向流道211的数量为3～6个；所述第一挡环29抵靠于第四抵台212上；所述冲锤22与静阀25之间形成第一腔体7；特别地：初始状态时，冲锤22在第二弹簧23的作用下抵靠于第三抵台206上；当钻进液进入时，所述动阀26、动阀座27和防掉杆28随马达转子33一起转动，当动阀26旋转至于静阀25过流面积最小时，第一腔体7内产生水锤作用，同时，在局部高压的作用下推动冲锤22向上压缩第二弹簧23，当冲锤22向上运动至于第二抵台202接触时，第一轴向流道203与第二中心流道201不连通，轴向流道面积减小，产生二次水锤作用；动阀26继续转动至与静阀25过流面积最大时，第一腔体7内处于低压状态，冲锤22在第二弹簧23和钻井液压力能的共同作用下，加速向下冲击第一脉冲下壳体24产生轴向冲击。
作为较优的实施方案；所述马达总成3设有马达外壳31、马达定子32和马达转子33；所述马达外壳31上方与第一脉冲下壳体24下方螺纹连接；所述马达转子33上方与防掉杆28下方螺纹连接；当钻井液进入时，在钻井液压差作用下推动马达转子33偏心转动。
作为较优的实施方案；所述万向轴总成4设有万向轴外壳41和球式万向轴总成42；所述万向轴外壳41上方与马达外壳31下方螺纹连接；所述球式万向轴总成42上方与马达转子33下方螺纹连接；将马达转子33的偏心转动转换为绕轴心的定轴转动。
作为较优的实施方案；所述第二脉冲总成5设有第二脉冲外壳51和水帽52；所述第二脉冲外壳51设有第一径向凹槽504；所述水帽52设有第二径向流道501、第三径向流道502和水帽中心孔503；所述第二径向流道501和第三径向流道502与水帽中心孔503常通；所述第三径向流道502与第一径向凹槽504间歇连通；所述第一径向凹槽504的数量为2～4个；所述第二径向流道501的数量为3～6个；所述第三径向流道502的数量与第一径向凹槽504的数量一致；所述第三径向流道502的过流面积是第二径向流道501的2～5倍；特别地：当水帽52转至第三径向流道502与第一径向凹槽504连通时，大部分钻井液从第三径向流道502进入水帽中心孔503，小部分钻井液从第二径向流道501进入水帽中心孔503；当水帽52继续旋转至第三径向流道502与第一径向凹槽504不连通时，大部分钻井液不能从第三径向流道502进入水帽中心孔503，小部分钻井液继续从第二径向流道501进入水帽中心孔503，在第一径向凹槽504处产生水锤作用。
作为较优的实施方案；所述传动总成6设有上扶正轴承组 61、推力球轴承组 62、传动上壳体 63、第二挡环 64、传动下壳体 65、下扶正轴承组66和传动轴67；所述上扶正轴承组61和下扶正轴承组66用于保证传动轴67绕轴心旋转；所述推力球轴承组62用于承受轴向力；所述第二挡环64支撑于推力球轴承组62与下扶正轴承组66的内圈之间，且随推力球轴承组62和下扶正轴承组66的内圈一起旋转；所述传动上壳体63上部与第二脉冲外壳51下部螺纹连接；所述传动下壳体65上部与传动上壳体63下部螺纹连接；所述传动轴67上部与水帽52下部螺纹连接；所述传动轴67下部接钻头。
以上显示和描述本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种多级脉冲振荡螺杆，主要由旁通阀总成(1)、第一脉冲总成(2)、马达总成(3)、万向轴总成(4)、第二脉冲总成(5)和传动总成(6)组成；所述旁通阀总成(1)用于控制钻井液流向；所述第一脉冲总成(2)置于所述马达总成(3)上方，用于将马达总成(3)产生的旋转机械能转换为第一脉冲总成(2)的脉冲作用和轴向冲击；所述马达总成(3)用于将钻井液的液体压力能转换为马达转子(33)的旋转机械能；所述万向轴总成(4)用于将马达转子(33)的偏心转动转换为绕轴心的定轴转动；所述第二脉冲总成(5)置于万向轴总成(4)下方，用于将马达总成(3)产生的旋转机械能转换为第二脉冲总成(5)的脉冲作用；所述传动总成(6)用于将马达总成(3)产生的旋转机械能传递至钻头；
所述第一脉冲总成(2)设有第一脉冲上壳体(21)、冲锤(22)、第二弹簧(23)、第一脉冲下壳体(24)、静阀(25)、动阀(26)、动阀座(27)、防掉杆(28)和第一挡环(29)；所述第一脉冲上壳体(21)设有第二中心流道(201)和第一抵台(202)；所述冲锤(22)设有第一轴向流道(203)、第二轴向流道(204)和第二抵台(205)；所述第一轴向流道(203)与第二中心流道(201)周期性连通；所述第二轴向流道(204)与第二中心流道(201)常通；所述第二弹簧(23)一端抵靠于第一脉冲上壳体(21)下方，一端抵靠于第二抵台(205)上方；所述第一脉冲下壳体(24)设有第三抵台(206)、静阀槽(207)和第四抵台(212)；所述静阀(25)安装于所述静阀槽(207)内；所述动阀座(27)设有动阀槽(208)和第一径向流道(209)；所述动阀(26)安装于动阀槽(208)内；所述防掉杆(28)设有第一轴肩(210)；所述动阀座(27)下方抵靠于第一轴肩(210)上并通过螺纹连接于防掉杆(28)上方；所述第一挡环(29)设有第三轴向流道(211)；所述第一挡环(29)抵靠于第四抵台(212)上；所述冲锤(22)与静阀(25)之间形成第一腔体(7)；特别地：初始状态时，冲锤(22)在第二弹簧(23)的作用下抵靠于第三抵台(206)上；当钻进液进入时，所述动阀(26)、动阀座(27)和防掉杆(28)随马达转子(33)一起转动，当动阀(26)转至于静阀(25)过流面积最小时，第一腔体(7)内产生水锤作用，同时，在局部高压的作用下推动冲锤(22)向上压缩第二弹簧(23)，当冲锤(22)向上运动至与第二抵台(202)接触时，第一轴向流道(203)与第二中心流道(201)不连通，轴向流道面积减小，产生二次水锤作用；动阀(26)继续转动至与静阀(25)过流面积最大时，第一腔体(7)内处于低压状态，冲锤(22)在第二弹簧(23)和钻井液压力能的共同作用下，加速向下冲击第一脉冲下壳体(24)产生轴向冲击；
所述第二脉冲总成(5)设有二级脉冲外壳(51)和水帽(52)；所述二级脉冲外壳(51)设有第一径向凹槽(504)；所述水帽(52)设有第二径向流道(501)、第三径向流道(502)和水帽中心孔(503)；所述第二径向流道(501)和第三径向流道(502)与水帽中心孔(503)常通；所述第三径向流道(502)与第一径向凹槽(504)间歇连通；特别地：当水帽(52)转至第三径向流道(502)与第一径向凹槽(504)连通时，大部分钻井液从第三径向流道(502)进入水帽中心孔(503)，小部分钻井液从第二径向流道(501)进入水帽中心孔(503)；当水帽(52)继续旋转至第三径向流道(502)与第一径向凹槽(504)不连通时，大部分钻井液不能从第三径向流道(502)进入水帽中心孔(503)，小部分钻井液继续从第二径向流道(501)进入水帽中心孔(503)，在第一径向凹槽(504)处产生水锤作用。
2.根据权利要求1所述一种多级脉冲振荡螺杆，其特征在于，所述冲锤(22)在水锤作用下周期性向上运动压缩第二弹簧(23)，冲锤(23)的行程为20～50㎜。
3.根据权利要求1所述一种多级脉冲振荡螺杆，其特征在于，所述冲锤(22)上设有第一轴向流道(203)，所述第一轴向流道(203)与第二中心流道(201)间歇连通；所述第一轴向流道(203)数量为3～6个。
4.根据权利要求1所述一种多级脉冲振荡螺杆，其特征在于，所述一级脉冲下壳体(24)设有静阀槽(207)；所述静阀槽(207)的形状为正方形、六边形和八边形；所述静阀(25)安装于静阀槽(207)内。
5.根据权利要求1所述一种多级脉冲振荡螺杆，其特征在于，所述动阀座(27)设有动阀槽(208)和第一径向流道(209)；所述动阀槽(208)的形状为正方形、六边形和八边形；所述第一径向流道(209)的数量为3～6个；所述动阀(26)安装于动阀槽(208)内。
6.根据权利要求1所述一种多级脉冲振荡螺杆，其特征在于，所述静阀(25)和动阀(26)上开设有轴向通孔；根据不同工况需求，所述轴向通孔开设的大小、数量和位置有多种组合，从而达到不同的脉冲效果。
7.根据权利要求1所述一种多级脉冲振荡螺杆，其特征在于，所述水帽(52)设有第二径向流道(501)、第三径向流道(502)和水帽中心孔(503)；所述第二径向流道(502)与第一径向凹槽(504)常通；所述第三径向流道(502)与第一径向凹槽(504)间歇连通；所述第二径向流道(501)的数量为3～6个；所述第三径向流道(502)的数量为2～4个；所述第三径向流道(502)的流道面积是第二径向流道(501)的2～5倍。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117823047A (zh) * | 2024-03-04 | 2024-04-05 | 德州联合石油科技股份有限公司 | 水力振荡装置 |
| CN117823047B (zh) * | 2024-03-04 | 2024-05-14 | 德州联合石油科技股份有限公司 | 水力振荡装置 |
| CN117823048A (zh) * | 2024-03-05 | 2024-04-05 | 德州联合石油科技股份有限公司 | 水力振荡器 |
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